隧洞施工中硫化氫氣體的防治

潘奕舟

（新疆水利水電勘測設計研究院地質勘察研究所）

0 前言

在常規的施工中，常采用壓入式通風法對隧洞內的硫化氫氣體進行處理，用來消除硫化氫對施工人員造成的職業病。壓入式通風法采用風機與風管組成通風系統，實現外界新鮮空氣向隧洞內的供給，進而置換或稀釋隧洞內的硫化氫氣體，使硫化氫氣體的濃度降低到安全標準以內。在具體施工中受到各種復雜因素的干擾，隧洞內硫化氫氣體的排出不是固定值，而通風系統吹入的氣體量是相對固定的，因此很容易出現新鮮空氣的補給滿足不了硫化氫的安全標準，此時很容易給施工人員造成危害。因此需要進行深入分析，找出硫化氫的防治措施，提升隧洞內施工的安全性。

1 工程概況

ARTS水電站引水發電系統位于中低山區，地形起伏，全長約6.25 km 左右，穿越“Ω”型河道所圍限基巖山體，山頂高程2 000～2 583 m，，洞線主要穿越的地層有石炭系和白堊系，構造方向總體以北西向為主，褶曲發育，巖層總體產狀300°～350°SW∠30°～80°，地下洞室圍巖見表1所示。

表1 ATRS水電站引水系統隧洞內圍巖統計表

施工方在樁號2+948檢測出洞室有硫化氫氣體，掌子面附近氣體濃度10～30 ppm，最高＞50 ppm，經現場查看，作業面氣體濃度較高，遠離作業面氣體濃度小，洞室通風效果差，空氣流通不暢。

2 硫化氫的成因

硫化氫作為一種微甜、無色、臭雞蛋氣味、劇毒的氣體，密度大于空氣密度，氣體溶于水，溶解度會隨著氣溫的增加逐漸降低，燃燒過程中會產生深藍色火焰，還會產生有毒有害的二氧化硫氣體，在260 ℃下濃度處于4.30%～46%范圍內時會產生爆炸風險。

硫化氫在空氣中的濃度達到0.000 1%時會被聞到，隨著濃度的提升，嗅覺神經會逐漸被麻痹，引起中毒，反而不被嗅到。硫化氫具有劇毒，具有強烈的刺激作用，可以阻礙生物的氧化作用，造成人體缺氧。硫化氫的主要來源為：產生于舊巷與老空區，礦物的燃燒與氧化，含硫礦物的水解，有機物的腐爛等。

根據硫化氫成因機理的不同可以將自然界硫化氫的成因分為5 類：巖漿成因、硫酸鹽熱化學還原、熱化學分解、微生物硫酸鹽還原與生物降解。其中煤與圍巖中存在硫酸鹽巖與含硫有機質，它們在熱化學還原作用與熱化學分解作用下會產生硫化氫氣體，但是煤中硫酸鹽巖含量與圍巖中有機質硫的含量較低，因此在反應后產生的硫化氫含量均低于2%，但是圍巖中硫酸鹽巖的含量增加時，會生成較高濃度的硫化氫氣體；硫酸鹽的熱化學還原反應主要由于烴類或有機物與硫酸鹽發生反應，造成硫酸鹽還原為二氧化碳與硫化氫氣體，主要由硫化氫性天然氣與高含硫化氫天然氣引起，一般在150 ℃以上發生反應；熱化學分解反應的成因主要指煤中含硫有機化合物受到熱力作用，造成含硫雜環的斷裂生成硫化氫，因此還被稱為裂解型硫化氫，該方式生成的硫化氫濃度一般低于1%；微生物硫酸鹽還原菌作為典型微生物，可以將各種烴類與有機質還原成硫酸鹽，之后通過異化作用將其轉化為硫化氫；生物降解主要以腐敗作用為主，基于生成的含硫有機質，同化作用的環境出現變化后，會造成有機質的腐敗分解，最終生成硫化氫氣體。

ARTS 工程引水隧洞洞身段2+298 為Ⅲ圍巖，巖性主要為石炭系下統（C1h）灰巖夾砂巖、碳質頁巖。在灰巖、碳質頁巖中存在大量生物化石及石膏層，生物化石（以珊瑚、藻類、貝殼及節支動物為主）。該層富含的生物殘骸和有機物經生物降解在腐敗作用主導下形成硫化氫氣體，含硫有機化合物在熱力作用下，硫酸鹽熱化學還原生成高含硫化氫天然氣和硫化氫型天然氣，可見掌子面裂隙處有可燃火苗。

3 隧洞施工中硫化氫的防治措施

結合ATRS水電站引水隧洞的施工現狀，對隧洞內的硫化氫氣體進行處理，在加強氣體濃度檢測，加強通風，采用炮霧機進行噴霧稀釋，同時配合在掌子面下水槽的開挖工作，將生石灰置于水槽內，這一系列措施可以將硫化氫氣體的濃度控制在安全范圍內。

3.1 硫化氫氣體的檢測

在隧洞內的施工中，需要配備必要的硫化氫氣體檢測報警儀，并指派專人負責隧洞內硫化氫氣體溢出段的氣體濃度檢測工作，并著重關注放炮與打眼后的氣體檢測。一旦檢測報警儀上顯示硫化氫氣體濃度超過6.6 ppm，需要立即停止作業，將相關工作人員撤離到安全區域，保持新鮮空氣的補給。設立的專職檢測員需要對隧洞內的硫化氫氣體進行實時、全面的檢測，確保隧洞內所有區域的硫化氫均在標準范圍內時，才能通知其他施工人員進入隧洞施工，對隧洞內硫化氫的檢測應具有實時檢測能力，了解隧洞內硫化氫濃度的變化趨勢，及時采取各種措施。隧洞內各點位的氣體檢測統計情況詳見表2所示。

表2 隧洞內各檢測點的氣體統計表

在隧洞內的鉆孔探放中，可以采用液壓地質鉆機進行鉆孔，鉆頭采用直徑65 mm的，探放孔應將直徑控制在75 mm，孔深控制在75 m，每次布設孔徑在6個左右，先將鉆深控制在50 m左右，并預留25的保安巖柱。在循環開挖前，需要采用超前鉆孔對掌子面釋放，在隧洞內掌子面周邊與中部每隔2 m 鉆深孔，在孔深與孔徑上，掌子面中部與周邊保持一致，掌子面上探放孔不應用作爆破孔用。

3.2 硫化氫氣體的稀釋與控制

首先應進行噴霧稀釋，將每組灑水噴霧裝置每隔5 m安裝在隧洞內，進行全斷面式的噴霧處理，采用9 個散狀式噴嘴組成一組灑水噴霧裝置，噴嘴的間距控制在2 m左右。在隧洞內的施工中，將掌子面內的閥門全部打開，進行斷面式噴水，并在掌子面內開挖積水坑，間隔保持在100 m 左右，并采用潛水泵將其中聚集水分抽出，起到凈化硫化氫的作用。

其次加大隧洞工作面風量，防止硫化氫集聚。增大掌子面掘進時風量，確保有效稀釋和排除有毒氣體、可燃氣體釋放，防止硫化氫濃度超標。當掌子面開挖工作面有大量硫化氫氣體涌出時，采取大功率局部通風機，加大供風量集中抽排，風筒末端到掌子面距離不超過5 m，以保證掘進工作面風量充足。在具體的施工中，采用風機與膠質風筒進行通風，保證工作面上通風能力超過正常施工狀況下的通風情況，施工前安排專人負責隧洞內的測風工作，配置必要的低、中、高速風表，每周對隧洞內風速進行測量，結合測量結果調整通風量，使其滿足隧洞內的通風作業要求。

3.3 施工壓漿與注漿階段硫化氫氣體的控制

在隧洞內的注漿封堵施工中，需要采用水泥雙液水玻璃漿液進行徑向上的注漿，對巖層的裂縫進行封堵，但是注漿過程不能對引水隧洞內設計的結構線造成影響，同時還要起到抑制硫化氫氣體溢出的目的。注漿封堵應遵循下述技術要求：①水泥漿液的水灰比控制在0.80∶1～1∶1之間；②注漿配比中的水泥應滿足要求，例如采用PO32.5；③拌合水的水質應滿足水工建筑物工程的施工規范，避免水中存在有毒有害物質；④采用水玻璃作為雙液注漿的材料，水玻璃與水泥漿的體積比為0.50∶1，水玻璃的密度為1.38 g/cm3，水泥漿比重為1.52 g/cm3；⑤根據傳統施工的技術特點，在雙液灌漿的漿液中添加適量的鹽水，比例控制在15%～20%范圍內。

3.4 支護封閉階段的硫化氫的控制

在ATRS水電站引水隧洞的施工中為保證隧洞的穩定性，采用全封閉性隧道支護襯砌結構，同時配合橡膠止水帶對沉降縫與施工縫的處理、C20 混凝土對底部與仰拱的處理等措施，可以大大提升支護封閉效果。在施工作業流程上，按照提前封閉的要求，保證達到隔氣與止氣的標準，使隧洞支護襯砌的氣密性得到滿足。此外在各施工工序中采用的混凝土應為氣密性較高的混凝土種類。

4 結論

文章以ARTS水電站引水隧洞的施工為例，講述了隧洞施工的基本情況，并對隧洞內的環境與巖性特征進行分析，指出主要隧洞內巖石的構成。之后結合該水電站飲水隧洞硫化氫的情況，詳細分析了硫化氫的成因。最后結合隧洞內硫化氫的基本情況，從多角度論述了硫化氫的控制機理，可以為后續隧洞施工中硫化氫的防治提供基本思路。